本站原创【摘 要 】以基于Cortex-M3内核的32位STM32微处理器为控制核心,外接可控恒流源电路和颜色传感器等部件,组成了简易的LED光电特性测试装置,结构简洁,成本低廉,在LED特性的研究上有较高的实用价值.
【关 键 词 】LED测试；颜色传感器；恒流源
1.引言
LED（Light-Emitting-Diode）,即发光二极管,以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点正在逐步取代传统的白炽灯、荧光灯,成为新一代照明光源.各国政府均大力扶持白光LED的发展,美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行[1].随着LED应用范围的扩大,用户对产品质量也有了更高的要求,不仅要求其发光亮度和波长等光特性具有一致性,对其正向工作电压和电流等电特性也有严格的要求.因此,研究LED光电参数的测试仪器,对提高产品质量、降低生产成本具有着重要的意义.
专用的LED光电特性测试设备结构复杂,特别是光学特性测试要用到光谱仪、光度计等,虽然仪器有着精度高的特点,但仍然具有结构复杂、成本高、体积较大,携带和使用很不方便,系统稳定性受到限制等缺点,因此这种仪器只能停留在大型分析测试实验,应用范围难以扩展.研制一种小体积、低,精度虽不很高,但能满足一般性要求的LED光电测量仪器成为目前仪器发展的一个趋势[2].
虽然LED的光电特性参数很多,但对大多数用户来说,主要是关心LED伏安特性及LED发光亮度与电流的关系,因此本文所设计的系统主要是完成这两项参数的测试,另外通过简单的软硬件扩展,还可测试得到LED的相关色温、主波长、光强分布等参数,用于LED的特性研究及驱动电路的设计等应用开发.
2.系统原理与组成
整个系统主要由STM32微处理器,光学测量模块,恒流驱动模块,LCD液晶显示模块,按键控制模块等组成,如图1所示.
由按键或LCD上的触摸屏控制STM32微处理器,内部的D/A转换器产生控制电压,该电压控制外部的恒流驱动电路产生LED工作所需的恒定电流加到待测LED上,LED上产生的电压降经信号放大调整电路后被STM32内部的A/D转换器采集,从而测得LED的伏安特性.另外,通过光学测量模块测量LED发出的光线转换成数字信号,由STM32采集处理,从而测得LED的发光亮度等光学特性.
2.1 STM32微处理器
微处理器是整个控制系统的核心,它控制恒流驱动电路输出设定的电流,采集LED的电压,测量光学测量模块的数据,进行数据处理,控制算法运算,显示控制等.为了保证系统的实用性和易扩展性,本控制系统采用意法半导体推出的“增强型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3内核,工作频率最高可达72MHz,内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM）,丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设,16路12位的ADC和2路12位的DAC,3个通用16位定时器和一个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN,在存储容量和运算速度方面满足要求.在本设计中,采用STM32自身的ADC和DAC模块,极大的降低了系统成本.
2.2 恒流驱动电路
恒流驱动电路的核心是V/I转换电路,如图2所示,Vin是STM32内部D/A输出的电压,RL是负载,即待测的LED,Rs为电流取样电阻,用于控制输出电流的大小,U1是大功率运算放大器.
由图2可知,若电阻R1和R2比Rs和RL大得多,则在理想情况下可得到
由公式2可见,输出电流与负载无关,在固定取样电阻Rs的情况下,输出电流与输入控制电压成正比.但在应用中要注意,两个输入电阻R3和R4及两个反馈电阻R1和R2必须严格匹配,否则会带来较大误差.Rs也要采用精密功率电阻.另外也可以在系统调试时在软件中做补偿校准以确保输出电流精度.
图2中的运算放大器OPA548是一种高电压、大电流型功率运算放大器,具有优良小信号放大性能,用其驱动多种负载非常理想.电源电压（+VS～-VS）60V,可单电源或双电源工作.输入阻抗高,偏置电流小.可连续输出3A大电流（峰值电流高达5A）,而且内部具有过温和电流过载保护,用户可以根据需要进行精密的限流设计
2.3 光学测量模块
本设计中采用新型的颜色传感器TCS3200进行LED光学特性的测量,能够同时测量LED发光中所含的三基色亮度.TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器.它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器.TCS3200的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接.由于输出的是数字量,并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度,因而不再需要A/D转换电路,使电路变得更简单.图3是TCS3200的引脚和功能框图.
当入射光投射到TCS3200上时,通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合,可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%）,不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1,选择不同的输出比例因子,对输出频率范围进行调整,以适应不同的需求.
因为STM32工作频率较高,因此将S0和S1直接接高电位,使输出比例因子为100%.S2和S3利用STM32的引脚进行控制,颜色传感器的输出信号用STM32编程实现测频.
3.测量数据运算及处理
STM32的软件系统设计中主要包括液晶显示,按键处理,DAC控制,ADC控制,颜色传感器控制及计数测量,这些模块都比较简单,在此不再赘述,下面主要介绍一下LED光学特性测量的数据运算及处理程序. 物体颜色的定量度量是一个涉及观察者的视觉生理、视觉心理、照明条件以及观测条件等诸多因素的复杂问题.CIE（国际照明委员会）从1931年开始发布了一系列色度学系统,规定了一整套颜色测量的原理、数据和计算方法,形成了奠定现代色度学基础的CIE标准色度学系统.
根据CIE的推荐,光源的色度可采用三刺激值X,Y,Z和色品坐标表色系统表征.
可以用下述公式将RGB值转为XYZ值[3]：
（3）
色品坐标同三刺激值的关系是：
（4）
通过颜色传感器TCS3200测量构成光源色度的三基色的比例,得到R,G,B值,经过计算就可以得到光源色度的三刺激值X,Y,Z和色品坐标x,y,z.有了色品坐标,就可以根据CIE1931标准色度系统得到光源的亮度,主波长,色纯度,相关色温等参数值.式3中的Y值相应于人眼中对亮度的响应,可用于计算LED发光亮度.
从色品坐标要得到相关色温（CCT,Correlated Color Temperature）有很多种方法,其中近似公式法运算简单,便于实现,精度也可满足一般要求,当3000K （5） 4.实验结果 应用上述电路,设计了简易的LED光电特性测试装置,并用一些红、绿、黄、蓝、白等各色LED进行了测试,结果如图4.图4（a）为不同颜色LED的伏安特性曲线,图4（b）为不同颜色LED的发光亮度与电流的关系.从图中可以看出,LED电流随电压变化很快,而发光亮度与电流基本上是线性关系.这可以作为设计LED驱动电路的参考依据.另外,用Keithley2612高精度源表对伏安特性进行了校准,用照度计对亮度测试进行了校准.实验结果表明,通过硬件调整和软件补偿,结果误差可以控制在5%以内,达到实用目标. 5.结束语 本文利用STM32微处理器为核心,颜色传感器为主要部件,设计了简易的LED光电特性装置,用于测试LED的伏安特性,发光强度,相关色温,主波长等LED特性.整个系统简洁,智能,成本低廉,在某些LED的研究和应用领域可以代替昂贵的光谱分析仪等专用设备.实验结果表明,测试精度达到实用要求,本文方案可行.